Risposta delle colture in serra agli stress ambientali

Workshop LA GESTIONE DELLA NUTRIZIONE MINERALE NELLE COLTURE DI SERRA 20 Settembre, 2013 - Teatro Comunale di Comiso (Ragusa)

Risposta delle colture in serra agli stress ambientali

Stefania De Pascale Departimento di Agraria Università di Napoli Federico II

Contenuti  Introduzione  Stress e colture protette  La gestione dello stress in serra  Modificare l’ambiente  Serre chiuse  Modificare la pianta  Migliorare le prestazioni della pianta in condizioni di

stress  Migliorare le prestazioni della pianta con lo stress  Il ruolo della ricerca  Considerazioni conclusive

Stress ambientali (abiotici) In biologia: • Una condizione avversa che tende a inibire il normale

funzionamento di un sistema biologico

In agricoltura: • Una qualunque pressione ambientale in grado di ridurre la

produttività potenziale di una coltura

La risposta delle piante a stress ambientali • Suscettibilità • Resistenza

Morte Sopravvivenza

Dipende da: • Caratteristiche dello stress • Caratteristiche della pianta

Risposta metabolica Riduzione di crescita (resa)

Stress ambientali & produttività agricola Coltura

Resa potenziale

Resa media

(kg/ha)

(kg/ha)

Perdita media Malattie

Insetti

Malerbe

ALTRO*

Mais

19,300

4,600

750

691

511

12,700

Grano

14,500

1,880

336

134

256

11,900

Soia

7,390

1,610

269

67

330

5,120

Sorgo

20,000

2,830

314

314

423

16,200

Segale

10,600

1,720

465

107

352

7,960

Orzo

11,400

2,050

377

108

280

8,590

Patata

94,100

28,300

8,000

5,900

875

50,900

121,000

42,600

6,700

6,700

3,700

61,300

4.1

2.6

2.6

Barbabietola

Perdita media (% resa potenziale)

21.6

69.1

* STRESS ABIOTICI

Principali fattori ambientali di stress °C +100 +80 +60 +40 +20 0 -20

 Temperatura  Alte temperature (heat stress)  Basse temperature (freezing, chilling)  Acqua  Eccesso idrico (ristagno, anossia)  Deficit idrico (riduzione del potenziale idrico, siccità)  Radiazione (visibile, ultravioletta)  Nutrienti (carenza, eccesso)  Salinità (acqua, substrato)  Inquinanti chimici (pesticidi, metalli pesanti,

inquinamento dell’aria)  Altri fattori di stress (pH, meccanici, vento, VPD, etc.)

Le colture protette Obiettivi:  Protezione contro stress abiotici e biotici  Forzatura (produzione fuori stagione)  Controllo crescita e sviluppo (& qualità)

?

Determinanti:  Clima  Mercato  Aspetti socio-economici  Risorse disponibili  Aspetti normativi  ….

Il Clima

Almeria, Spagna 9 – 35 oC 9 – 27 MJ/m2/d

 Maggiore determinante della distribuzione

geografica delle specie vegetali  In piena aria determina il tasso di crescita

e i cicli biologici (resa)  In coltura protetta influenza la scelta del

sistema produttivo, la quantità di input necessari e l’efficienza d’uso delle risorse naturali (sostenibilità) Arizona, USA 5 – 38 oC 15 – 28 MJ/m2/d

Pechino, Cina -9.5 – 30.5 oC 7 – 21 MJ/m2/d

Olanda 2 – 18 °C 2 – 18 MJ/m2 /d

Radiazione solare (MJ/m2*mese)

900 800

Aalsmer (The Netherlands) Primavera-Estate

700

Almeria (Southern, Spain)

600

Serra Parral (Almeria – Spagna)

Primavera-Estate

500 400

Autunno-Inverno

Serra Venlo (Olanda)

300 200

D

Autunno-Inverno

Riscaldamento A

100

C

Raffrescamento E B

F

0 0

5

10 15 20 Temperatura media mensile(°C)

25

A. Necessario il riscaldamento E. Necessario raffrescamento B. Necessaria ventilazione passiva F. Temperatura eccessiva C. Coltivazione possibile in piena aria (aree interne) D. Coltivazione possibile in piena aria (aree costiere)

30

Il Mediterraneo Le colture protette sono diffuse nei principali Paesi del Bacino del Mediterraneo

Almeria - Spagna

Ragusa - Italia

(Superfice di riferimento 1500 ha)

Antalia - Turchia

Mediterraneo…

Portogallo

Spagna Spagna

Mediterraneo…

Italia

Libano

Giordania Egitto

Le serre mediterranee  Struttura povera  Copertura in materiale plastico  Ridotta trasmissività delle coperture  Ridotta cubatura  Ridotto volano termico e igrometrico

 Scarsa ventilazione  Riscaldamento come intervento di soccorso  Ombreggiamento estivo  Risorse idriche quanti-qualitativamente ridotte  Ridotta impiantistica

Lo scenario … Superficie (ha)

Ricavi

1950

1985

2010

Perché? • Domanda di prodotti fuori-stagione • Trasporto e conservazione • Sviluppo socio-economico • Efficienza d’uso delle risorse

Perchè? • Globalizzazione/Competizione • Riduzione dei prezzi al consumo • Aumento dei costi di produzione • Aspettative dei consumatori crescenti CRISI ECONOMICA!!!

……. I sistemi produttivi devono essere adattati:

Fattori determinanti:

Fattori limitanti:

•CO2 •Luce •Temperatura •Caratteristiche della coltura •Fisiologia, Fenologia •Morfologia, architettura…

Controllo climatico

Potenziale

Fattori riducenti:

•Acqua •Nutrienti •Azoto •Fosforo •Potassio •…

•Malerbe •Insetti •Patologie •Inquinanti •…

Tecnica colturale

Disponibilità risorse sub-ottimale

Attuale

=

Strategie di intervento • Modificare l’ambiente interno alla serra per la coltura • “Serre Chiuse” • Analisi Costi-benefici

•

Modificare la coltura per uno specifico ambiente: • Selezionare/generare specie/cultivar più funzionali • Adattare la coltura all’ambiente

La tecnologia in serra Sistemi per il controllo climatico

Strutture

Automazione

Sistemi di Coltivazione

Level of Technology

Alto

Alto Tecnologia

Medio

Stress ambientale

Basso

 Isolamento dall’ambiente esterno  Specializzazione degli operatori

Medio

 Costi per m2

Basso

 Efficienza d’uso delle risorse

 Rese per m2

Modificare l’ambiente: «Serre Chiuse» Vantaggi:  Riduzione del consumo di energia e

Svantaggi:

 Alti costi di investimento delle emissioni di CO2 (-30%  Difficoltà nella gestione della combustibili fossili) tecnologia (specializzazione)  Riduzione delle sostanze chimiche (-80%)  Il reddito dipende dall’aumento di resa realizzabile (tipo di  Riduzione dei consumi idrici coltura/recettività del mercato) (-50%)  Più elevata concentrazione di CO2 (rese più elevate?)

Problemi: • •

Sostenibilità economica in ambienti caldo-aridi Adattamento tecnica colturale e selezione cultivar

“Energy producing greenhouse” www.energiek2020.nu/ener2020/energie_producerende_kas/

Serre chiuse in cui il surplus di energia (calore) è immagazzinato in una falda acquifera (a 50-100 m di profondità) e riutilizzato per il riscaldamento (Endothermic system)  Assenza di aperture di ventilazione  Raffreddamento e deumidificazione  Controllo delle condizioni ambientali  Più alta concentrazione di CO2  Minori esigenze di combustibile

Caldo

Freddo

 Limiti: convenienza economica

Olanda 2800-3500 MJ m-2 per anno Italia 4500-6500 MJ m-2 per anno

Caldo

Freddo

“Water producing greenhouse” Progetto per il Sud-Europa (Spagna):  Serra completamente chiusa al fine di

consentire il ricircolo d'acqua grazie a un innovativo scambiatore di calore  Aumento dell’efficienza d’uso dell’acqua (75% di acqua di recupero) e delle risorse energetiche  Limiti: convenienza economica

www.watergy.eu

Modificare la pianta: «Gestire lo stress»  Migliorare le prestazioni della pianta in condizioni sub-ottimali:  Risposta allo stress idrico/salino  Scambi gassosi: o Ruolo degli Stomi nel Controllo degli Scambi Gassosi o Aggiustamento osmotico  Assorbimento e trasporto idrico: o Rapporto Parte Aerea/Parte Radicale

 Migliorare le prestazioni delle piante con lo stress:  Hardening pre-trapianto  Qualità post-produzione: controllo della taglia di ornamentali, frutti

Cultivar di basilico con diversa risposta a stress osmotico

100 mM NaCl

Napoletano

Genovese

A 100 mM NaCl le due cv rispondono diversamente e mettono in opera meccanismi di risposta differenti Minore densità stomatica = Migliore controllo traspirazione = Maggiore WUE = Maggiore tolleranza a stress

Genovese

Napoletano

Dai sistemi modello alle colture agrarie PER ANNI SI E’ CERCATO DI INDIVIDUARE LA BASE GENETICA DELLA WATER USE EFFICIENCY

NEL 2005 E’ STATO DESCRITTO IL RUOLO DEL GENE ERECTA NELLA REGOLAZIONE DELLA TRASPIRAZIONE IN ARABIDOPSIS Masle et al., NATURE, 436 (2005)

Il ruolo della ricerca

Ricerca di base

Prodotti commerciali

Ricerca applicata Prodotti Intermedi

Screening Isolamento di mutati stomatici tramite Infrared Thermo Imaging

27±1 ºC

29ºC 30ºC 31ºC

Il rapporto chioma/radici

Stress idrico

Carenza transitoria di fosforo per modulare il rapporto Chioma/Radice Transient Phosphorus Deficiency may Control Shoot vs. Root Development in tomato. 12

+P -P

Fresh Weight (g)

10 8

-P

6 4 2 0

Shoot

Root

(Maggio e De Pascale, 2009)  

Biddinger et al., (1998). Physiologically and molecular responses of aeroponically grown tomato plants to phosphorus deficiency. J. Am. Soc. Hort. Sci. 123(2): 330-333. Gloser et al., 2007. Dynamic changes in root hydraulic properties in response to nitrate availability. Journal of Experimental Botany 58 (10): 2409–2415.

La Prolina riduce la Resistenza Stomatica in Raphanus sativus

Resistenza stomatica (s/cm)

Osmoliti 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

-Pro +Pro 0

50 100 NaCl (mM)

150

Riduce l’accumulo di Na e Cl nelle foglie e promuove l’accumulo negli ipocotili

+Pro

120

80 60

40

-Pro +Pro

35

Foglie

mg g/DM

mg g/DM

100

+Pro

45

30 25

-Pro +Pro

Ipocotili

20 15

40

10

20 5 0

0 Na

Cl

Na

Cl

Fattori che controllano lo stato idrico PARAMETRI CLIMATICI

PARAMETRI PIANTA

?

Modificare l’ambiente

Serra Calda

Serra Fredda

Clima Secco

Clima Secco

Traspirazione

Serra Calda Clima Umido

Radiazione Solare

+

Controllo della pianta e dell’ambiente

Traspirazione

Controllo climatico Stress osmotico +PRO -PRO

Radiazione Solare

Controllo della taglia e hardening  Modulazione dello stress:  Idrico/salino  Restrizione radicale (ridotta dimensione del contenitore)  Nutrizionale (azoto, fosforo)  Meccanico (stimolo tattile o tigmico):  ventilazione, spazzolatura, scuotimento, sfregamento, impedenza…. Università di Pisa - PRIN 2005

Hardening Risposta di piantine di diverse specie ortive alla spazzolatura in vivaio Risultati Efficacia nel ridurre /Specie l’altezza

Danno

Commenti

Peperone

●●●

Foglie

Dipende dal clima

Pomodoro

●●●●

No

Lievi danni in alcune cultivar

Melanzana

●●●

No

Piante più compatte

Cetriolo

●●

Lieve

Zucchino

●

No

Ridotta lunghezza piccioli

Anguria

○

No

Dipende dalle cultivars

Cavolo

○

No

Dipende dalle cultivars

Broccolo

○

No

Dipende dalle cultivars

(): ottimo; (): molto buono; (): buono; (): sufficiente; (○): variabile (Latimer, 1998)

Stress salino e qualità

Pomodoro

Marciume apicale

>Solidi solubili totali >Durata

Melone

Ortaggi da foglia

Solidi solubili totali